ดูซิลิคอนกึ่งโลหะ
โลหะซิลิคอนเป็นโลหะกึ่งตัวนำสีเทาและเงาที่ใช้ในการผลิตเหล็ก, เซลล์แสงอาทิตย์และไมโครชิป
ซิลิคอนเป็นธาตุที่มีความอุดมสมบูรณ์มากเป็นอันดับสองในเปลือกโลก (หลังออกซิเจนเพียงอย่างเดียว) และธาตุที่พบมากที่สุดในเอกภพที่แปด ในความเป็นจริงเกือบ 30 เปอร์เซ็นต์ของน้ำหนักของเปลือกโลกสามารถนำมาประกอบกับซิลิคอนได้
ธาตุที่มีจำนวนอะตอม 14 เป็นธรรมชาติเกิดขึ้นในแร่ธาตุซิลิเกต ได้แก่ ซิลิกาเฟลด์สปาร์และไมกาซึ่งเป็นส่วนประกอบสำคัญของหินทั่วไปเช่นควอทซ์และหินทราย
โลหะกึ่งโลหะ (หรือ metalloid ) ซิลิคอนมีคุณสมบัติบางอย่างของทั้งโลหะและอโลหะ
เช่นเดียวกับน้ำ - แต่แตกต่างจากโลหะส่วนใหญ่ - สัญญาซิลิกอนอยู่ในสถานะของเหลวและขยายตัวเมื่อแข็งตัว มีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูงและเมื่อตกผลึกเป็นโครงสร้างคริสตัลลูกบาศก์เพชร
สิ่งสำคัญสำหรับบทบาทของซิลิคอนในฐานะเซมิคอนดักเตอร์และการใช้งานในอิเลคทรอนิคส์คือโครงสร้างอะตอมของธาตุซึ่งประกอบด้วยสี่อิเล็กตรอนความจุที่ทำให้ซิลิคอนสามารถยึดติดกับองค์ประกอบอื่น ๆ ได้อย่างง่ายดาย
คุณสมบัติ:
- สัญลักษณ์อะตอม: Si
- จำนวนอะตอม: 14
- หมวดหมู่: Metalloid
- ความหนาแน่น: 2.329g / cm3
- จุดหลอมเหลว: 2577 ° F (1414 ° C)
- จุดเดือด: 5909 ° F (3265 ° C)
- ความแข็งของ Moh: 7
ประวัติความเป็นมา:
นักเคมีชาวสวีเดน Jons Jacob Berzerlius ได้ให้เครดิตกับซิลิกอนที่แยกได้ครั้งแรกในปีพ. ศ. 2366 Berzerlius ประสบความสำเร็จโดยการให้ความร้อนโพแทสเซียมโลหะ (ซึ่งถูกแยกออกจากกันเพียงหนึ่งทศวรรษก่อนหน้านี้) ในเบ้าหลอมและโพแทสเซียมฟลูซิสิลี
ผลที่ได้คือซิลิคอนอสัณฐาน
อย่างไรก็ตามการทำซิลิกอนผลึกต้องใช้เวลามากขึ้น ตัวอย่าง electrolytic ของซิลิคอนผลึกจะไม่ถูกสร้างขึ้นมาอีกสามทศวรรษ
การใช้ซิลิกอนในเชิงพาณิชย์เป็นครั้งแรกในรูปแบบของ ferrosilicon
หลังจาก การสร้างความทันสมัยของอุตสาหกรรมการผลิตเหล็ก ในช่วงกลางศตวรรษที่ 19 ความสนใจในกระบวนการ ผลิตเหล็ก และการวิจัยเกี่ยวกับเทคนิคการผลิตเหล็ก
เมื่อถึงช่วงเวลาแห่งการผลิต เหล็ก ferrosilicon เป็นครั้งแรกในทศวรรษที่ 1880 ความสำคัญของซิลิคอนในการปรับปรุง ความเหนียว ใน เหล็กกล้า และเหล็กออกซิไดซ์เป็นที่เข้าใจกันดี
การผลิตเฟอร์โรซิลิคอนในช่วงแรกเกิดขึ้นในเตาเผาขนาดใหญ่โดยการลดแร่ที่ประกอบด้วยซิลิกอนด้วยถ่านซึ่งส่งผลให้เหล็กกล้าสีเงินเป็นเหล็กที่มีซิลิคอนสูงถึง 20 เปอร์เซ็นต์
การพัฒนาเตาหลอมแบบไฟฟ้าในช่วงเริ่มต้นของศตวรรษที่ 20 ไม่เพียง แต่ช่วยให้ การผลิตเหล็ก มากขึ้น แต่ยังเพิ่มการผลิตเฟอร์โรซิลิกอนอีกด้วย
(Compagnie Generate d'Electrochimie) เริ่มดำเนินงานในประเทศเยอรมนีประเทศฝรั่งเศสและประเทศออสเตรียและในปีพ. ศ. 2450 ได้เริ่มก่อตั้งโรงงานซิลิคอนเชิงพาณิชย์แห่งแรกในสหรัฐอเมริกา
การผลิตเหล็กไม่ได้เป็นเพียงคำร้องสำหรับสารประกอบซิลิคอนเชิงพาณิชย์ก่อนสิ้นศตวรรษที่ 19
ในการผลิตเพชรประดิษฐ์ในปี พ.ศ. 2433 เอ็ดเวิร์ดกริชเออเคสันได้ให้ความร้อนอะลูมิเนียมซิลิเกตกับโค้กผงและบังเอิญผลิตซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC)
สามปีต่อมาอเคสันได้จดสิทธิบัตรวิธีการผลิตของเขาและก่อตั้ง บริษัท Carborundum (carborundum เป็นชื่อสามัญสำหรับซิลิคอนคาร์ไบด์ในเวลานั้น) เพื่อวัตถุประสงค์ในการผลิตและจำหน่ายผลิตภัณฑ์ขัดผิว
เมื่อต้นศตวรรษที่ 20 คุณสมบัติของตัวนำซิลิกอนคาร์ไบด์ได้รับการตระหนักและสารประกอบดังกล่าวถูกใช้เป็นเครื่องตรวจจับในเรือวิทยุต้น สิทธิบัตรสำหรับเครื่องตรวจจับคริสตัลซิลิกอนได้รับมอบให้กับ GW Pickard ในปี 2449
ในปีพ. ศ. 2450 ไดโอดเปล่งแสง (LED) ตัวแรกถูกสร้างขึ้นโดยการใช้แรงดันไฟฟ้ากับผลึกซิลิคอนคาร์ไบด์
การใช้ซิลิกอนในทศวรรษที่ 1930 ขยายตัวขึ้นเมื่อมีการพัฒนาผลิตภัณฑ์เคมีใหม่ ๆ รวมถึงไซโลและซิลิโคน
การเติบโตของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในช่วงศตวรรษที่ผ่านมาได้รับการเชื่อมโยงกับซิลิคอนอย่างไม่เปลี่ยนแปลงและมีคุณสมบัติพิเศษ
ในขณะที่การสร้างทรานซิสเตอร์ตัวแรกที่เป็นบรรพบุรุษของไมโครชิพยุคใหม่ในปีพ. ศ. 2440 อาศัย เจอร์เมเนียม ไม่นานก่อนที่ซิลิคอนจะแทนที่ญาติสนิทโลหะของเขาเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่มีความคงทนมากขึ้น
Bell Labs และ Texas Instruments เริ่มผลิตทรานซิสเตอร์ที่ใช้ซิลิกอนในเชิงพาณิชย์ในปีพ. ศ. 2497
วงจรซิลิคอนตัวแรกเกิดขึ้นในทศวรรษที่ 1960 และในปีพ. ศ. 2519 ได้มีการพัฒนาตัวประมวลผลซิลิกอน
เนื่องจากเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ซิลิกอนเป็นหัวใจสำคัญของการใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์ที่ทันสมัยไม่ควรแปลกใจเลยที่เราอ้างถึงศูนย์กลางธุรกิจของอุตสาหกรรมนี้ว่า 'Silicon Valley'
(สำหรับรายละเอียดเกี่ยวกับประวัติศาสตร์และการพัฒนา Silicon Valley และเทคโนโลยีไมโครชิปผมขอแนะนำสารคดี American Experience Silicon Valley)
ไม่นานหลังจากเปิดตัวทรานซิสเตอร์ตัวแรกการทำงานของ Bell Labs กับซิลิคอนทำให้เกิดการพัฒนาที่สำคัญครั้งที่สองในปีพศ. 1954: เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิคอนตัวแรก
ก่อนหน้านี้ความคิดในการควบคุมพลังงานจากดวงอาทิตย์เพื่อสร้างพลังบนโลกนี้เป็นสิ่งที่เป็นไปไม่ได้เลยทีเดียว แต่เพียงสี่ปีต่อมาในปี พ.ศ. 2501 ดาวเทียมดวงแรกที่ขับเคลื่อนด้วยเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิคอนได้โคจรรอบโลก
ในช่วงทศวรรษ 1970 แอพพลิเคชั่นเชิงพาณิชย์สำหรับเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์ได้ขยายตัวไปสู่การใช้งานภาคพื้นดินเช่นการเปิดไฟบนแท่นขุดเจาะน้ำมันนอกชายฝั่งและทางแยกทางรถไฟ
ในช่วงสองทศวรรษที่ผ่านมาการใช้พลังงานแสงอาทิตย์ได้เติบโตขึ้นอย่างมาก วันนี้เทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้ซิลิกอนคิดเป็นสัดส่วนประมาณ 90 เปอร์เซ็นต์ของตลาดพลังงานแสงอาทิตย์ทั่วโลก
การผลิต:
ส่วนใหญ่ของซิลิคอนกลั่นในแต่ละปี - ประมาณ 80 เปอร์เซ็นต์ - ผลิตเป็น ferrosilicon สำหรับใช้ในการ ผลิตเหล็ก และ เหล็กกล้า Ferrosilicon สามารถบรรจุได้ตั้งแต่ 15 ถึง 90 เปอร์เซ็นต์ซิลิกอนขึ้นอยู่กับความต้องการของโรงหลอม
โลหะผสม ของเหล็กและซิลิคอนถูกผลิตขึ้นโดยใช้เตาเผาไฟฟ้าแบบจุ่มแช่ผ่านกระบวนการหลอมละลาย แร่ที่อุดมด้วยซิลิกาและแหล่งคาร์บอนเช่นถ่านหินโคเคน (ถ่านหิน) ถูกบดและบรรจุลงในเตาพร้อมกับเศษเหล็ก
ที่อุณหภูมิสูงกว่า 1900 ° C (3450 ° F) คาร์บอนจะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนที่มีอยู่ในแร่สร้างแก๊สคาร์บอนมอนอกไซด์ เหล็กและซิลิคอนที่เหลืออยู่จะรวมกันเพื่อทำ ferrosilicon ที่หลอมละลายซึ่งสามารถเก็บได้โดยการแตะฐานของเตา
เมื่อได้ระบายความร้อนและแข็งแล้ว ferrosilicon สามารถจัดส่งและนำไปใช้โดยตรงในการผลิตเหล็กและเหล็กกล้า
วิธีการเดียวกันนี้โดยไม่รวมเหล็กจะใช้ในการผลิตซิลิคอนเกรดโลหะซึ่งมีความบริสุทธิ์มากกว่า 99 เปอร์เซ็นต์ ซิลิคอนโลหะยังใช้ในการถลุงเหล็กตลอดจนการผลิตอลูมิเนียมอัลลอยและสารเคมีไซเลน
ซิลิกอนของโลหะจะถูกจำแนกตามระดับของธาตุเหล็ก อลูมิเนียม และแคลเซียมในโลหะผสม ตัวอย่างเช่นโลหะซิลิกอน 553 มีธาตุเหล็กและอลูมิเนียมน้อยกว่า 0.5 เปอร์เซ็นต์และแคลเซียมน้อยกว่า 0.3 เปอร์เซ็นต์
มีการผลิต ferrosilicon ประมาณ 8 ล้านเมตริกตันในแต่ละปีทั่วโลกโดยจีนมีสัดส่วนประมาณ 70% ของจำนวนนี้ ผู้ผลิตรายใหญ่ ได้แก่ กลุ่ม Erdos Metallurgy, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, กลุ่ม OM Materials และ Elkem
มีการผลิตเพิ่มขึ้นอีก 2.6 ล้านเมตริกตันซิลิคอนโลหะหรือประมาณ 20 เปอร์เซ็นต์ของโลหะซิลิคอนที่ผ่านการกลั่นทั้งหมด ประเทศจีนมีสัดส่วนประมาณ 80% ของผลผลิตนี้
แปลกใจที่หลายคนเห็นได้ว่าเกรดของซิลิคอนในแสงอาทิตย์และอิเล็กทรอนิกส์มีเพียงเล็กน้อย (น้อยกว่า 2 เปอร์เซ็นต์) ของการผลิตซิลิกอนที่กลั่นทั้งหมด
เมื่อต้องการอัพเกรดเป็นโลหะซิลิกอนเกรดซิลิกอน (โพลีซิลิคอน) ความบริสุทธิ์จะต้องเพิ่มสูงขึ้นถึง 99.9999% (6N) ซิลิคอนบริสุทธิ์ นี้จะกระทำผ่านทางหนึ่งในสามของวิธีการที่พบมากที่สุดเป็นกระบวนการของซีเมนส์
กระบวนการของซีเมนส์เกี่ยวข้องกับการสะสมไอเคมีของก๊าซระเหยที่เรียกว่าไตรคลอโรซอลเลต ที่ อุณหภูมิ 1150 ° C (2102 ° F) trichlorosilane ถูกเป่าผ่านเมล็ดซิลิกอนที่มีความบริสุทธิ์สูงซึ่งติดตั้งอยู่ที่ปลายก้าน เมื่อผ่านไปซิลิคอนที่มีความบริสุทธิ์สูงจากก๊าซจะถูกสะสมบนเมล็ด
เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบ Fluid Bed (FBR) และเทคโนโลยีซิลิโคนเกรดโลหะ (UMG) ที่ได้รับการอัพเกรดจะถูกนำมาใช้เพื่อเพิ่มโลหะให้เป็นโพลีซิลิคอนที่เหมาะสมกับอุตสาหกรรมแผงเซลล์แสงอาทิตย์
230,000 เมตริกตันของโพลีซิลิคอนผลิตในปี 2013 ผู้ผลิตชั้นนำ ได้แก่ GCL Poly, Wacker-Chemie และ OCI
สุดท้ายเพื่อทำให้ซิลิคอนเกรดอิเลคทรอนิคส์เหมาะสำหรับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์และเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์บางชนิดโพลีซิลิคอนต้องถูกแปลงเป็นซิลิคอน monocrystal แบบ ultra-pure ผ่านกระบวนการ Czochralski
เมื่อทำเช่นนี้โพลีซิลิคอนละลายในเบ้าหลอมที่ อุณหภูมิ 1425 องศา เซลเซียส (2597 ° F) ในบรรยากาศเฉื่อย ไม้กางเขนที่ฝังคริสตัลจะจุ่มลงในโลหะหลอมเหลวและค่อยๆหมุนและนำออกให้เวลาสำหรับซิลิกอนที่จะเติบโตในวัสดุเมล็ด
ผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นคือก้าน (หรือกลีบดอก) ของโลหะซิลิกอนชนิดซิลิคอนเดี่ยวที่มีความบริสุทธิ์สูงถึง 99.999999999 (11N) เปอร์เซ็นต์ ก้านนี้สามารถเจือด้วยโบรอนหรือฟอสฟอรัสตามที่ต้องการเพื่อปรับสมบัติเชิงกลควอนตัมตามที่ต้องการ
แท่งโมโนคริสตัลสามารถส่งมอบให้กับลูกค้าตามที่เป็นอยู่หรือหั่นเป็นแผ่นเวเฟอร์และขัดหรือพื้นผิวสำหรับผู้ใช้เฉพาะราย
การใช้งาน:
ในขณะที่มีการกลั่นเหล็กกล้าและโลหะซิลิกอนประมาณสิบล้านเมตริกตันในแต่ละปีซิลิคอนส่วนใหญ่ที่ใช้ในเชิงพาณิชย์เป็นของแร่ธาตุซิลิคอนซึ่งใช้ในการผลิตทุกอย่างตั้งแต่ซีเมนต์ปูนและเซรามิคไปจนถึงแก้วและ โพลิเมอร์
Ferrosilicon เป็นที่รู้จักมากที่สุดคือรูปแบบของซิลิคอนโลหะ เนื่องจากการใช้งานครั้งแรกประมาณ 150 ปีที่ผ่านมา ferrosilicon ยังคงเป็นตัวทำปฏิกิริยาที่สำคัญในกระบวนการผลิตคาร์บอนและ สเตนเลส ปัจจุบันการถลุงเหล็กยังคงเป็นผู้บริโภคที่ใหญ่ที่สุดของ ferrosilicon
Ferrosilicon มีข้อดีกว่าการผลิตเหล็ก เป็นโลหะผสมก่อนในการผลิต แมกนีเซียม เฟอร์โรซิลิกอน (nano) ที่ใช้ในการผลิตเหล็กดัดเช่นเดียวกับในกระบวนการ Pidgeon สำหรับการกลั่นแมกนีเซียมที่มีความบริสุทธิ์สูง
Ferrosilicon สามารถใช้ในการทำอัลลอยด์อัลลอยด์อัลลอยด์อัลลอยด์อัลลอยและเหล็กกล้าทนความร้อนและ สึกกร่อน รวมถึงเหล็กซิลิคอนซึ่งใช้ในการผลิตมอเตอร์ไฟฟ้าและแกนหม้อแปลง
ซิลิคอนที่เป็นโลหะสามารถใช้ในการผลิตเหล็กเช่นเดียวกับสารประกอบอัลลอยด์ในการหล่ออลูมิเนียม ชิ้นส่วนรถยนต์ของอลูมิเนียมซิลิคอน (Al-Si) มีน้ำหนักเบาและแข็งแรงกว่าชิ้นส่วนที่หล่อจากอลูมิเนียมบริสุทธิ์ ชิ้นส่วนยานยนต์เช่นบล็อกเครื่องยนต์และยางล้อมีบางส่วนของชิ้นส่วนซิลิโคนที่ทำจากอลูมิเนียมมากที่สุด
เกือบครึ่งหนึ่งของซิลิคอนโลหะทั้งหมดถูกใช้โดยอุตสาหกรรมเคมีเพื่อทำซิลิกาที่มีคราบเปียก (สารให้ความหนาแน่นและสารดูดความชื้น), ไซเลน (ตัวประสาน) และซิลิโคน (สารเคลือบหลุมร่องฟันกาวและสารหล่อลื่น)
โพลีซิลิคอนเกรดไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ถูกใช้เป็นหลักในการทำเซลล์แสงอาทิตย์โพลีซิลิคอน ประมาณห้าตันของโพลีซิลิคอนเป็นสิ่งจำเป็นที่จะทำให้หนึ่งล้านวัตต์โมดูลแสงอาทิตย์
ปัจจุบันเทคโนโลยีโพลีซิลิคอนแสงอาทิตย์เป็นแหล่งพลังงานแสงอาทิตย์มากกว่าครึ่งหนึ่งที่ผลิตได้ทั่วโลกในขณะที่เทคโนโลยีโมโนซิลิกอนมีส่วนแบ่งประมาณ 35 เปอร์เซ็นต์ โดยรวมแล้ว 90 เปอร์เซ็นต์ของพลังงานแสงอาทิตย์ที่มนุษย์ใช้จะถูกรวบรวมโดยเทคโนโลยีที่ใช้ซิลิกอน
Monocrystal silicon เป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่สำคัญที่พบได้ในอุปกรณ์อิเล็คทรอนิคส์สมัยใหม่ ซิลิคอนสามารถใช้งานได้กับคอมพิวเตอร์ทุกเครื่องโทรศัพท์มือถือแท็บเล็ตโทรทัศน์วิทยุและอุปกรณ์การสื่อสารสมัยใหม่อื่น ๆ เช่นวัสดุที่ใช้ในการผลิตทรานซิสเตอร์ที่มีผลต่อสนาม (FET) ไฟ LED และแผงวงจรรวม
คาดว่ามากกว่าหนึ่งในสามของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมดมีเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ซิลิกอน
ในที่สุดอัลลอยด์ซิลิคอนคาร์ไบด์แข็งใช้ในแอพพลิเคชั่นอิเล็คทรอนิคส์และไม่ใช่อิเล็กทรอนิคส์รวมถึงเครื่องประดับสังเคราะห์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีอุณหภูมิสูงเซรามิคแข็งเครื่องมือตัดผ้าเบรควัสดุขัดพื้นเสื้อกันกระสุนและส่วนประกอบความร้อน
แหล่งที่มา:
ประวัติโดยย่อของการผลิตโลหะผสมและเหล็กกล้า
URL: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holappa, Lauri และ Seppo Louhenkilpi
บทบาทของเหล็กดิงในการผลิตเหล็ก 9-13 มิถุนายน 2013 การประชุม Ferroalloys นานาชาติครั้งที่สิบสาม URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf
ติดตาม Terence บน Google+